Mitigating Sodium Ordering for Enhanced Solid Solution Behavior in Layered NaNiO2 Cathodes

阴极 材料科学 固溶体 化学工程 纳米技术 无机化学 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
K. Sada,Steven Kmiec,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:136 (25) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/ange.202403865
摘要

Abstract The O‐type layered nickel oxides suffer from undesired cooperative Jahn–Teller distortion stemming from Ni 3+ ions and undergo multiple biphasic structural transformations during the insertion/extraction of large Na + ions, posing a significant challenge to stabilize the structural integrity. We present here a systematic investigation of the impact of substituting 5 % divalent (Mg 2+ ) or trivalent (Al 3+ or Co 3+ ) ions for Ni 3+ to alleviate Na + ion ordering and perturb the Jahn–Teller effect to enhance structural stability. We gauge a fundamental understanding of the Mg−O and Na−O or Mg−O−Na bonding interactions, noting that the ionicity of the Mg−O bond deshields the electronic cloud of oxygen from Na + ions. Furthermore, calculations of the Van Vleck distortion modes reveal a relaxation of NiO 6 octahedra from Jahn–Teller distortion and a reduced electron density at the interlayer with Mg 2+ substitution. Long‐range ( operando X‐ray diffraction) and short‐range (magic angle spinning nuclear magnetic resonance) structural analyses provide insights into reduced ordering, allowing a stable continuous solid solution. Overall, Mg‐substitution results in a high‐capacity retention of ~96 % even after 100 cycles, showcasing the potential of this strategy for overcoming the structural instabilities and enhancing the performance of sodium‐ion batteries.
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